חוקרים מאוניברסיטת לינקופינג בשוודיה פיתחו שיטה חדשה שיכולה להוביל לסינתזה של מאות חומרים דו-ממדיים חדשים, שעובים רק כמה אטומים ומציגים תכונות ייחודיות שימושיות ביישומים שונים כמו אגירת אנרגיה וטיהור מים. התקדמות זו, המבוססת על מודל תיאורטי מאומת במעבדה, הרחיבה את הפוטנציאל ליצירת חומרים דו-ממדיים נוספים מעבר למשפחת ה-MXenes המוכרת, וסללה את הדרך ליישומים טכנולוגיים מגוונים.
חומרים דקים להפליא, רק כמה אטומים עבים, מציגים תכונות ייחודיות שהופכות אותם למושכים עבור אגירת אנרגיה, קטליזה וטיהור מים. חוקרים מאוניברסיטת לינקופינג, שבדיה, פיתחו כעת שיטה המאפשרת סינתזה של מאות חומרים דו-ממדיים חדשים. המחקר שלהם פורסם בכתב העת מַדָע.
מאז הגילוי של גרפן, תחום המחקר בחומרים דקים במיוחד, מה שנקרא חומרים דו מימדיים, גדל באופן אקספוננציאלי. הסיבה היא שלחומרים דו מימדיים יש שטח פנים גדול ביחס לנפחם או למשקלם. זה מוביל למגוון של תופעות פיזיקליות ומאפיינים ייחודיים, כגון מוליכות טובה, חוזק גבוה או עמידות בחום, מה שהופך חומרים דו-ממדיים לבעלי עניין הן במחקר היסודי והן ביישומים.
ג'ונאס ביורק, פרופסור חבר באוניברסיטת לינקופינג. קרדיט: Thor Balkhed
"בסרט שהוא רק מילימטר דק, יכולות להיות מיליוני שכבות של החומר. בין השכבות יכולות להיות הרבה תגובות כימיות ובזכות זה, חומרים דו-ממדיים יכולים לשמש לאחסון אנרגיה או לייצור דלקים, למשל", אומרת יוהנה רוז'ן, פרופסור לפיזיקת חומרים באוניברסיטת לינקופינג.
משפחת MXenes ומודלים תיאורטיים חדשים
המשפחה הגדולה ביותר של חומרים דו מימדיים נקראת MXenes. MXenes נוצרים מחומר אב תלת מימדי הנקרא שלב MAX. היא מורכבת משלושה יסודות שונים: M היא מתכת מעבר, A היא יסוד (קבוצת A), ו-X היא פחמן או חנקן. על ידי הסרת יסוד A עם חומצות (פילינג), נוצר חומר דו מימדי. עד עכשיו, MXenes הייתה המשפחה החומרית היחידה שנוצרה בדרך זו.
החוקרים של Linköping הציגו שיטה תיאורטית לחיזוי חומרים תלת מימדיים אחרים שעשויים להתאים להמרה לחומרים דו מימדיים. הם גם הוכיחו שהמודל התיאורטי תואם את המציאות.
Jie Zhou, עוזר פרופסור באוניברסיטת לינקופינג. קרדיט: אולוב פלנטבר
כדי להצליח, השתמשו החוקרים בתהליך בן שלושה שלבים. בשלב הראשון הם פיתחו מודל תיאורטי כדי לחזות אילו חומרי אב יתאימו. באמצעות חישובים בקנה מידה גדול במרכז הלאומי למחשבי-על, הצליחו החוקרים לזהות 119 חומרים תלת-ממדיים מבטיחים מתוך מסד נתונים ומבחר המורכב מ-66,643 חומרים.
השלב הבא היה לנסות ליצור את החומר במעבדה.
"מתוך 119 חומרים אפשריים, למדנו לאילו יש את היציבות הכימית הנדרשת ואיזה חומרים הם המועמדים הטובים ביותר. ראשית, היינו צריכים לסנתז את החומר התלת מימדי, וזה היה אתגר בפני עצמו. לבסוף, הייתה לנו דוגמה באיכות גבוהה שבה יכולנו לקלף ולחרוט ספציפית אָטוֹם שכבות באמצעות הידרופלואור חוּמצָה," אומר ג'י ז'ואו, עוזר פרופסור במחלקה לפיזיקה, כימיה וביולוגיה.
החוקרים הסירו איטריום (Y) מחומר האב YRu2סִי2מה שהביא להיווצרות של Ru דו מימדי2סִיאיקסOy.
Jie Zhou, עוזר פרופסור באוניברסיטת לינקופינג. קרדיט: אולוב פלנטבר
השלכות ויישומים עתידיים
אבל כדי לאשר הצלחה במעבדה, יש צורך באימות – שלב שלישי. החוקרים השתמשו במיקרוסקופ האלקטרוני שידור סורק Arwen באוניברסיטת לינקופינג. הוא יכול לבחון חומרים ואת המבנים שלהם ברמה האטומית. ב-Arwen אפשר גם לחקור מאילו אטומים מורכב החומר באמצעות ספקטרוסקופיה.
"הצלחנו לאשר שהמודל התיאורטי שלנו עבד היטב, ושהחומר שהתקבל מורכב מהאטומים הנכונים. לאחר הפילינג, תמונות החומר דמו לדפי ספר. זה מדהים שאפשר ליישם את התיאוריה בפועל, ובכך להרחיב את הרעיון של פילינג כימי ליותר משפחות חומרים מאשר MXenes", אומר ג'ונאס ביורק, פרופסור חבר בחטיבה לעיצוב חומרים.
משמעות הגילוי של החוקרים היא שהרבה יותר חומרים דו מימדיים בעלי תכונות ייחודיות נמצאים בהישג יד. אלה, בתורם, יכולים להניח את הבסיס לשפע של יישומים טכנולוגיים. השלב הבא של החוקרים הוא לחקור יותר חומרים מקדימים פוטנציאליים ולהגדיל את הניסויים. יוהנה רוזן מאמינה שיישומים עתידיים הם כמעט אינסופיים.
"באופן כללי, חומרים דו מימדיים הראו פוטנציאל גדול למספר עצום של יישומים. אתה יכול לדמיין ללכוד פחמן דו חמצני או לטהר מים, למשל. עכשיו זה על להגדיל את הסינתזה ולעשות אותה בצורה בת קיימא", אומרת יוהנה רוז'ן.
מימון: Knut och Alice Wallenbergs Stiftelse, Wallenberg Initiative Materials Science for Sustainability, Göran Gustafssons Stiftelse for Naturvetenskaplig och Medicinsk Forskning, Stiftelsen for Strategisk Forskning, האיחוד האירופי, Vetenskapsrådet, אזור המחקר האסטרטגי של ממשלת שוודיה במדעי החומרים על חומרים פונקציונליים מתקדמים, AFM, באוניברסיטת לינקופינג
